Projetos com impressão 3D na EESC promovem interface entre engenharia e saúde

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Keite Marques / Assessoria de Imprensa da EESC

Foto: Marcos Santos / USP Imagens
Foto: Marcos Santos / USP Imagens

Flexibilidade e capacidade de impressão de geometrias complexas são duas das principais características da manufatura aditiva, ou impressão 3D, que vem conquistando um espaço crescente no mercado industrial. Na Escola de Engenharia de São Carlos (EESC) da USP, a professora Zilda de Castro Silveira, do Departamento de Engenharia Mecânica (SEM), trabalha há dois anos com o desenvolvimento de soluções construtivas e otimização de cabeçotes intercambiáveis para impressoras 3-D portáteis, utilizando como matéria-prima os polímeros poliamida e policaprolactona (PCL) em estado de pó. O professor Jonas de Carvalho, também do SEM, desde 2002 pesquisa e desenvolve projetos com tecnologias de manufatura aditiva, voltados para criação de modelos computacionais e geração de moldes para próteses ósseas, especificamente mandibulares.

Entre os projetos de destaque em impressão 3D desenvolvidos pelo professor, está a fabricação de moldes utilizados em cirurgias de reconstituição de falhas de crânio e mandíbula, chamados ‘scaffolds’. As peças são personalizadas, impressas a partir da geometria dos ossos, obtida por intermédio de ressonância magnética ou tomografia computadorizada. Desse modo é possível planejar cautelosamente e diminuir o tempo das cirurgias, além de melhorar a qualidade de vida dos pacientes.

Foto: Divulgação
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Atualmente, a pesquisa em manufatura aditiva tem incluído uma interface cada vez maior entre áreas da engenharia e da saúde. As linhas de pesquisa em bioengenharia e bioimpressão sob a expectativa de que, no futuro próximo, os pesquisadores conseguirão imprimir tecidos cartilaginosos, ósseos e até mesmo órgãos do corpo humano. A geração de ‘scaffolds‘, a partir da manufatura aditiva foi o primeiro passo desse estudo multidisciplinar. O molde produzido geralmente é poroso, biodegradável e tem as funções de regenerar o tecido, preservar seu volume, manter as funções mecânicas por um determinado período de tempo e liberar os biofatores que resgatam a memória estrutural original.

O professor Carvalho acredita que, futuramente, nos casos de uma fratura, será possível gerar um ‘scaffold’ na região lesionada criando uma estrutura de suporte para se implantar no paciente, sem a necessidade de fazer outra cirurgia posteriormente, como ainda ocorre com a prótese de titânio que requer nova cirurgia a cada dez anos para a substituição da peça. “Neste caso, o material deve ser bioabsorvível, que estimula o crescimento de um novo material orgânico para ser incorporado pelo organismo e restaurar parte do movimento”, explica o pesquisador.

Foto: Wikimedia Commons
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Engenharia Aplicada

No intuito de incentivar e ampliar as pesquisas na área foi criado o Centro de Engenharia Aplicada à Saúde (CEAS), com expectativa de inauguração do prédio em novembro deste ano. “O objetivo é interagir diversos grupos de pesquisa para criar projetos e laboratórios que se integrem ao ensino de engenharia e saúde, e também que resultem em novas aplicações à sociedade”, afirma Carvalho. Atualmente, o CEAS funciona nas dependências do Programa de Pós-Graduação Interunidades de Bioengenharia da USP.

Consistindo de um processo de impressão de objetos a partir da deposição de variados materiais em camadas, a manufatura aditiva ganha a cada dia maior aplicabilidade, já sendo muito utilizada nos setores automotivo e aeroespacial, bem como no projeto de implantes odontológicos. Existem hoje no mundo mais de uma dezena de tecnologias, dentre as quais se destacam quatro: “Fused Deposition Modeling” (FDM), que utiliza filamentos de polímeros como matéria-prima; a “Stereolithography Aparattus” (SLA), que utiliza luz ultravioleta para curar resinas líquidas; e a “Selective Laser Sintering” (SLS), que gera objetos 3D, a partir de materiais granulados de plásticos, cerâmicas e metais.

Foto: Divulgação
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Hoje existem nos laboratórios de pesquisa do SEM três máquinas comerciais que atuam na deposição com gesso, cera e polímeros por meio da tecnologia FDM. Além disso, recentemente foram adquiridas duas impressoras portáteis, pautadas na mesma tecnologia, para o uso dos alunos de graduação. “Com essas máquinas de impressão 3D portáteis poderão ser obtidas peças e montagens mecânicas conceituadas e projetadas nas disciplinas de projeto mecânico, projeto auxiliado por computador, projeto de sistemas mecatrônicos, teoria e metodologia de projeto e mecanismos, bem como auxiliar na manufatura de peças para os projetos Formula e Baja”, garante Zilda de Castro Silveira.

No início de 2014 foi patenteado pelo SEM, um cabeçote de extrusão com rosca, peça responsável pela deposição do material durante o processo de impressão, baseada na tecnologia FDM. A aplicação foi feita em uma impressora 3D experimental desenvolvida pela Divisão de Tecnologias Tridimensionais (DT-3D) do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), localizado em Campinas, que é referência na área de manufatura aditiva na América Latina.

O cabeçote foi montado na impressora denominada ‘Fab@CTI’, e sua validação funcional incluiu a geração de ‘scaffolds’ utilizando a poliamida e o PCL. O uso da mini-rosca de seção variável permite o controle do processo de deposição de forma similar às extrusoras industriais. Essa característica, ainda pouco explorada na manufatura aditiva, permite o uso de bio-polímeros, de materiais cerâmicos, além do material descartado no estado de pó provenientes de máquinas de manufatura aditiva comerciais. “O controle do processo de extrusão permite que as propriedades reológicas dos materiais poliméricos de interesse sejam exploradas, acrescidos de preenchedores e aditivos”, define Zilda.

Mais informações: (16) 3373-8604, email silveira@sc.usp.br com a professora Zilda de Castro Silveira ou (16) 3373-9410, email prjonas@sc.usp.br, com Jonas de Carvalho

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